預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓加固RC梁試驗(yàn)研究

管延華,錢遠(yuǎn)順，岳紅亞，孫仁娟，紀(jì)續(xù)，袁凱，劉傳波

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.濟(jì)南市公路管理局，濟(jì)南 250013)

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預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓加固RC梁試驗(yàn)研究

管延華1,錢遠(yuǎn)順1，岳紅亞1，孫仁娟1，紀(jì)續(xù)2，袁凱2，劉傳波2

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.濟(jì)南市公路管理局，濟(jì)南 250013)

摘要：為提高碳纖維布加固RC結(jié)構(gòu)的效果及其可靠性，提出了預(yù)應(yīng)力碳纖維布與預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)。結(jié)合在役RC梁的損傷特點(diǎn)及目前的RC梁加固方法，分別采用不同的碳纖維布加固技術(shù)對(duì)完整梁和破壞梁的抗彎性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。針對(duì)目前碳纖維布張拉設(shè)備的缺陷，研發(fā)了便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的新型碳纖維布布張拉設(shè)備，分析了預(yù)應(yīng)力大小對(duì)加固效果的影響。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力碳纖維布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)是一種更可靠的橋梁加固方法，不僅能夠提高RC梁正截面的抗彎承載能力及正常使用階段的截面剛度，而且螺栓預(yù)緊錨固碳纖維布能夠很好地抑制其在混凝土表面的剝離，提高碳纖維布與混凝土表面之間粘結(jié)強(qiáng)度，對(duì)碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力能夠充分發(fā)揮其高強(qiáng)性能，有效抑制混凝土裂縫開(kāi)裂和開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力CFRP；預(yù)緊螺栓；加固技術(shù)；試驗(yàn)研究；力學(xué)行為

非預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固中[1-7]，但是鑒于CFRP材料的高強(qiáng)特性，非預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮碳纖維的高強(qiáng)性能，造成材料的極大浪費(fèi)。預(yù)應(yīng)力CFRP技術(shù)不僅能夠克服非預(yù)應(yīng)力CFRP技術(shù)的上述缺陷，而且能有效抑制橋梁裂縫的開(kāi)裂及開(kāi)展、提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，是一種更有效的加固技術(shù)[8-9]。預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料加固通常包括CFRP板和CFRP布兩種，而對(duì)鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，采用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固技術(shù)是更經(jīng)濟(jì)有效的加固方法[10-13]。由于對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力及錨固等工藝相對(duì)困難，且張拉后CFRP布對(duì)結(jié)構(gòu)粘貼表面的平整度要求極高，施加預(yù)應(yīng)力的CFRP布與混凝土表面的粘貼更加困難，容易發(fā)生CFRP布與混凝土界面之間的脆性剝離破壞，從而限制了預(yù)應(yīng)力CFRP布技術(shù)加固RC結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。為此，針對(duì)非預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)存在的缺陷及預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)的存在的問(wèn)題，結(jié)合前期研究的預(yù)緊螺栓錨固CFRP技術(shù)成果[14-15]，提出了預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固新技術(shù)，以更好地改善和提高橋梁維修加固效果；研發(fā)新型、現(xiàn)場(chǎng)操作可行的CFRP布張拉及錨固設(shè)備，并對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固RC試驗(yàn)梁的力學(xué)行為進(jìn)行研究，分析RC梁裂縫開(kāi)展情況，研究其破壞特征，評(píng)價(jià)其加固效果。

1聯(lián)合加固技術(shù)

預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)是通過(guò)研發(fā)的專用張拉設(shè)備對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力，然后將其粘貼在加固結(jié)構(gòu)的表面，并采用預(yù)緊螺栓錨固粘貼后的預(yù)應(yīng)力CFRP布。研發(fā)的預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備如圖1所示，最大張拉力達(dá)50 kN。預(yù)緊螺栓錨固裝置如圖2所示。

圖1　CFRP布張拉設(shè)備示意圖(單位：mm)Fig.1　Tensioning equipment schematic diagram

圖2　預(yù)緊螺栓錨固裝置Fig.2　Pre-screwed bolts

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制作鋼筋混凝土梁6根，截面尺寸為300 mm×400 mm，梁全長(zhǎng)為6 000 mm。梁縱向主筋為2Φ18，箍筋為(8@100，架立鋼筋為2Φ12，箍筋采用R235，架立鋼筋和縱向主筋采用HRB335，試驗(yàn)梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C40設(shè)計(jì)。試驗(yàn)梁詳細(xì)尺寸與鋼筋構(gòu)造見(jiàn)圖3，單位為mm。

圖3　試驗(yàn)梁鋼筋構(gòu)造圖Fig.3　Configuration and reinforcement details for beam

試驗(yàn)加載反力裝置如圖4所示。采用兩點(diǎn)對(duì)稱分級(jí)加載，試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容包括施加荷載的大小、荷載作用下試驗(yàn)梁撓度大小以及裂縫寬度。施加荷載通過(guò)千斤頂下的2個(gè)壓力傳感器測(cè)得，撓度通過(guò)安裝在支點(diǎn)和跨中的3個(gè)百分表測(cè)量，裂縫寬度采用F800裂縫綜合測(cè)試儀測(cè)量。

圖4　兩點(diǎn)對(duì)稱加載裝置示意圖Fig.4　Schematic representation of test set-up for

6根試驗(yàn)梁中,1根作為參照梁(BM1)，其余分為2組。第1組對(duì)完整RC混凝土梁進(jìn)行加固，共5根。其中,BM2-1采用非預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓加固(簡(jiǎn)稱HB-CFRP)，預(yù)緊螺栓錨固間距為60 cm；BM3、BM4、BM5-1采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固(僅在端部錨固CBRP,簡(jiǎn)稱PRE-CFRP)，各梁施加的預(yù)應(yīng)力分別為10、14、18 kN；BM6-1采用預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固(簡(jiǎn)稱HB-PRECFRP)，CFRP施加預(yù)應(yīng)力為18 kN，預(yù)緊螺栓錨固間距為60 cm。第2組試驗(yàn)梁為BM2-1、BM5-1、BM6-1加載破壞后的梁，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)和裂縫化學(xué)灌漿處理，并采用與之相同的加固技術(shù)及加固參數(shù)進(jìn)行加固，編號(hào)為BM2-2， BM5-2 、BM6-2。所有加固試驗(yàn)梁均采用2層CFRP布，錨固螺栓直徑12 mm，錨固深度7 cm，螺栓預(yù)緊力20 kN，鋼蓋板尺寸為150 mm×70 mm×5 mm。

3試驗(yàn)梁制作

相同環(huán)境條件下澆筑6根鋼筋混凝土試驗(yàn)梁，養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)其中5根試驗(yàn)梁采用不同的方法加固。

用磨光機(jī)將加固試驗(yàn)梁的梁底進(jìn)行打磨，除去梁底表面的水泥浮漿，使梁底面平整且露出混凝土石子；根據(jù)各梁加固設(shè)計(jì)要求放線，標(biāo)定出錨固螺栓的孔位，采用14 mm的鉆頭鉆孔至設(shè)計(jì)深度，用專用毛刷及空壓機(jī)清孔后，在孔中注入錨固用建筑結(jié)構(gòu)膠至2/3孔深處進(jìn)行螺栓埋置，并清理多余的結(jié)構(gòu)膠，埋置過(guò)程中應(yīng)保證螺栓的垂直，結(jié)構(gòu)膠未固化前，禁止螺栓隨便碰撞擺動(dòng)，以免影響螺栓錨固質(zhì)量及鋼蓋板的安裝。

錨固螺栓的建筑結(jié)構(gòu)膠完全固化后，依次進(jìn)行各試驗(yàn)梁的CFRP布加固。

對(duì)于試驗(yàn)梁BM2-1，按照表面粘貼的要求，在梁底粘貼2層CFRP布，當(dāng)纖維表面浸漬樹(shù)脂指觸干燥后，立即在螺栓錨固處涂抹建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼蓋板，按設(shè)計(jì)預(yù)緊力擰緊螺母并清理蓋板周圍多余的結(jié)構(gòu)膠，至此完成非預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓加固試驗(yàn)梁的制作。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的試驗(yàn)梁BM3、BM4、BM5-1，按照粘貼CFRP布的要求，對(duì)梁底混凝土表面進(jìn)行處理后，在試驗(yàn)梁的一端固定張拉設(shè)備，將配好的結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹于混凝土表面，立即在梁的另一端采用自鎖錨固鋼板固定CFRP布(如圖5所示)，然后進(jìn)行CFRP布張拉，達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力后，通過(guò)張拉設(shè)備的錨固裝置將CFRP布錨固于混凝土表面(如圖6所示)，用專用滾筒順纖維方向多次滾壓，排除氣泡使浸漬樹(shù)脂充分浸透碳纖維布。重復(fù)上述過(guò)程張拉粘貼第2層CFRP布，完成預(yù)應(yīng)力CFRP布加固試驗(yàn)梁的制作。

圖5　CFRP鋼板端部錨固Fig.5 CFRP anchoring with steel

圖6　張拉設(shè)備張拉CFRPFig.6　CFRP tensioning with tensioning

對(duì)于試驗(yàn)梁BM6-1，重復(fù)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固試驗(yàn)梁的制作過(guò)程，然后與試驗(yàn)梁BM2-1一樣每隔60 cm粘貼鋼蓋板并進(jìn)行預(yù)緊螺栓錨固，完成預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固試驗(yàn)梁的制作，如圖7所示。

圖7　HB-PRECFRP加固的試驗(yàn)梁Fig.7　Test beam strengthened with HB-PRECFRP

對(duì)于加載破壞后的試驗(yàn)梁BM2-1、BM5-1、BM6-1采用結(jié)構(gòu)膠修復(fù)破損混凝土，并對(duì)混凝土梁裂縫進(jìn)行壓力化學(xué)灌漿處理，如圖8所示。最后分別按照相應(yīng)試驗(yàn)梁BM2-1、BM5-1、BM6-1的加固方法和加固參數(shù)對(duì)其加固，完成破壞后修復(fù)試驗(yàn)梁的加固。

各試驗(yàn)梁的加固參數(shù)如表1所示。

圖8　破壞試驗(yàn)梁的修復(fù)及壓力灌漿Fig.8　Restoration and pressure grouting of failure beams

試驗(yàn)梁編號(hào)試驗(yàn)梁狀態(tài)加固方式CFRP層數(shù)CFRP寬度/mm每層CFRP施加預(yù)應(yīng)力/kN錨固間距/mm螺栓直徑/mm鋼蓋板尺寸螺栓預(yù)緊力/kNBM1完整梁100150mm×70mm×5mm20BM2-1完整梁HB-CFRP210060012150mm×70mm×5mm20BM3完整梁PRE-CFRP21001012150mm×70mm×5mm20BM4完整梁PRE-CFRP21001412150mm×70mm×5mm20BM5-1完整梁PRE-CFRP21001812150mm×70mm×5mm20BM6-1完整梁HB-PRECFRP21001860012150mm×70mm×5mm20BM2-2破壞梁HB-CFRP210060012150mm×70mm×5mm20BM5-2破壞梁PRE-CFRP21001812150mm×70mm×5mm20BM6-2破壞梁BH-PRECFRP21001860012150mm×70mm×5mm20

4試驗(yàn)材料及基本力學(xué)性能

試驗(yàn)梁的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，實(shí)測(cè)混凝土立方體平均抗壓強(qiáng)度為41.3 MPa。試驗(yàn)梁所用鋼筋均進(jìn)行了抽樣試驗(yàn)，基本力學(xué)性能均符合要求。CFRP采用大連智鑫建筑新技術(shù)工程有限公司生產(chǎn)的碳纖維布，理論厚度為0.167 mm，抗拉強(qiáng)度為3 614 MPa，彈性模量為2.43×l05MPa，極限伸長(zhǎng)率為1.71%。粘貼CFRP布采用配套智鑫牌JGN型碳纖維膠，錨固螺栓、粘貼鋼板以及裂縫壓力化學(xué)灌漿分別采用智鑫牌JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠及裂縫灌注膠。

5試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

BM1作為參照梁，加載到20 kN時(shí),試驗(yàn)梁跨中開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫；加載到32 kN時(shí),跨中和加載點(diǎn)下方均出現(xiàn)數(shù)條分布均勻的垂直裂縫；繼續(xù)加載到43 kN時(shí)，裂縫沿梁高向上發(fā)展，寬度不斷加大并伴有新裂縫出現(xiàn)，裂縫寬度達(dá)1.65 mm；繼續(xù)施加荷載到65 kN時(shí)，試驗(yàn)梁達(dá)到極限承載能力而破壞，跨中最大撓度為70.39 mm。BM1受彎破壞情況如圖9所示。

試驗(yàn)梁BM2-1加載至21 kN時(shí),梁底跨中附件開(kāi)始出現(xiàn)微小裂縫；繼續(xù)加載到43 kN時(shí)，加載點(diǎn)和跨中裂縫不斷擴(kuò)展，寬度達(dá)0.86 mm；加載到88 kN時(shí)，梁下出現(xiàn)微弱的“啪啪”聲，此時(shí)CFRP布開(kāi)始局部剝離；當(dāng)荷載施加到100 kN時(shí)，發(fā)現(xiàn)右側(cè)加載點(diǎn)下梁底CFRP布剝離；繼續(xù)加載至110 kN，右側(cè)剝離區(qū)域出現(xiàn)較大的響聲，發(fā)現(xiàn)剝離區(qū)部分碳纖維布發(fā)生斷裂，BM2-1梁破壞，無(wú)法繼續(xù)承受荷載。試驗(yàn)梁的極限荷載為110 kN，跨中最大撓度為93.85 mm， BM2-1破壞形式如圖10所示。

圖10　HB-CFRP加固BM2-1的破壞形式Fig.10　Failure mode of test beam

試驗(yàn)梁BM3、BM4、BM5-1分別加載到32、36、43 kN時(shí),梁底跨中及加載點(diǎn)附件開(kāi)始出現(xiàn)微小裂縫；當(dāng)加載到43 kN時(shí)，測(cè)量BM3、BM4、BM5-1裂縫開(kāi)展寬度分別為0.84、0.7、0.22 mm；試驗(yàn)梁 BM3、BM4荷載施加到76 kN時(shí)，加載點(diǎn)下出現(xiàn)微弱的“啪啪“聲，CFRP布開(kāi)始局部剝離，同樣的現(xiàn)象對(duì)BM5-1試驗(yàn)梁出現(xiàn)在81 kN；BM3、BM4、BM5-1分別加載到100、104、110 kN時(shí)，CFRP布在張拉錨固端發(fā)生滑移、剝離破壞，且BM5-1在加載點(diǎn)下部伴隨CFRP布的局部斷裂，破壞時(shí)跨中最大撓度分別為92.42、94.24、82.23 mm，破壞形式如圖11所示。

圖11　PRE-CFRP加固梁的破壞形式Fig.11　Failure mode of beam strengthened with

試驗(yàn)梁BM6-1荷載施加到43 kN時(shí)，試驗(yàn)梁底部出現(xiàn)微小裂縫；荷載增加到90 kN時(shí)，出現(xiàn)微弱的“啪啪”聲，CFRP布開(kāi)始發(fā)生局部剝離，裂縫不斷增多增大，撓度加大；到荷載施加到120 kN時(shí)，加載點(diǎn)下部CFRP布發(fā)生斷裂破壞，跨中最大撓度為97.49 mm， BM6-1破壞形式如圖12所示。

圖12　HB-PRECFRP加固梁BM6-1的破壞形式Fig.12　Failure mode of test beam

觀察試驗(yàn)梁BM2-2、BM5-2、BM6-2的加載過(guò)程，其破壞形式分別與試驗(yàn)梁BM2-1、BM5-1、BM6-1相似，極限承載力分別為100、110、110 kN，跨中最大撓度分別為85.24、105.68、85.27 mm。試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

6試驗(yàn)結(jié)果分析

6.1試驗(yàn)梁開(kāi)裂荷載及裂縫開(kāi)展分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表2及圖13可以看出，預(yù)應(yīng)力CFRP布加固梁的開(kāi)裂荷載比未加固的梁BM1和非預(yù)應(yīng)力加固梁BM2-1、BM2-2均有不同程度的提高，且施加的預(yù)應(yīng)力越大，開(kāi)裂荷載提高越明顯(如BM5-1、BM6-1的開(kāi)裂荷載比BM1提高2.15倍)，而非預(yù)應(yīng)力CFRP布及螺栓加固梁BM2-1、BM2-2與未加固梁BM1開(kāi)裂荷載基本相等。可見(jiàn)，對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力能有效抑制混凝土梁的開(kāi)裂。

施加預(yù)應(yīng)力大小相等的梁(BM5-1與BM6-1，或BM5-2與 BM6-2)，雖然其錨固方式不同，但其開(kāi)裂荷載基本相等，可見(jiàn)，預(yù)緊螺栓錨固CFRP布的加固方式對(duì)加固梁的開(kāi)裂荷載沒(méi)有影響。此外，對(duì)于施加相同的預(yù)應(yīng)力，加固完整梁(BM5-1、BM6-1)的開(kāi)裂荷載比加固破壞梁(BM5-2、BM6-2)大34%，說(shuō)明加固梁的開(kāi)裂荷載不僅與預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)，而且梁加固前承載破壞狀況對(duì)加固后梁的開(kāi)裂荷載有影響。

圖13　試驗(yàn)梁開(kāi)裂荷載柱狀圖Fig.13　Histogram of test beam cracking

觀察BM1和BM2-1加載過(guò)程中裂縫開(kāi)展情況，其開(kāi)裂荷載雖基本相等(大約20 kN左右)，但是，當(dāng)加載到32 kN時(shí)，BM1裂縫寬度為0.8 mm，而BM2寬度為0.64 mm；加載到43 kN時(shí)，BM1裂縫寬度為1.65 mm，BM2-1寬度為0.86 mm，其裂縫開(kāi)展寬度僅為BM1的55%。說(shuō)明預(yù)緊螺栓錨固CFRP布能夠有效抑制RC梁裂縫寬度的發(fā)展。

比較加固方式相同、施加預(yù)應(yīng)力大小不同的試驗(yàn)梁BM3、BM4、BM5-1的裂縫開(kāi)展可知，施加預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)裂縫的開(kāi)展具有明顯的影響。當(dāng)加載到43 kN時(shí)，BM3、BM4、BM5-1裂縫開(kāi)展寬度分別為0.84、0.7、0.22 mm，與參照梁BM1相比，BM3、BM4、BM5-1裂縫寬度分別減小了49%、58%、87%。可見(jiàn)，CFRP布施加預(yù)應(yīng)力越大，相同荷載作用下加固梁裂縫開(kāi)展寬度越小。

6.2加固試驗(yàn)梁界面剝離荷載分析

CFRP布與混凝土界面的剝離荷載為加載試驗(yàn)過(guò)程中梁底開(kāi)始出現(xiàn)微弱的“啪啪”聲并伴有CFRP布的局部剝離時(shí)測(cè)量的加載值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表3及圖14可以看出，預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固的試驗(yàn)梁BM2-1、BM2-2(CFRP布不施加預(yù)應(yīng)力)和BM6-1、BM6-2(CFRP布施加預(yù)應(yīng)力)，其剝離荷載明顯高于僅端部錨固的預(yù)應(yīng)力CFRP布加固試驗(yàn)梁(BM3、BM4、BM5-1、BM5-2)，說(shuō)明預(yù)緊螺栓錨固措施能夠有效抑制CFRP布的剝離；觀察BM3、BM4、 BM5-1可以看出，施加較大的預(yù)應(yīng)力的試驗(yàn)梁BM5-1剝離荷載略有提高，說(shuō)明施加預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)界面的剝離荷載有影響；因此，預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)能夠有效抑制CFRP布與混凝土界面的剝離，提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。

另外，比較BM2-2與BM2-1、BM5-2與BM5-1、BM6-2與BM6-1三組試驗(yàn)梁的剝離荷載可以看出，每組試驗(yàn)梁的剝離荷載幾乎相等，說(shuō)明試驗(yàn)梁以前承載破壞狀況對(duì)修復(fù)后加固梁的界面剝離荷載沒(méi)有影響。

圖14　試驗(yàn)梁剝離荷載柱狀圖Fig.14　Histogram of test beam debonding

6.3試驗(yàn)梁極限能力分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表3可以看出，加固試驗(yàn)梁的承載能力比參照梁BM1均有提高，但提高的幅度有所不同。其中，預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固的完整試驗(yàn)梁BM6-1極限荷載提高85%，非預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓加固的完整試驗(yàn)梁BM2-1極限荷載提高69%，僅端部錨固的不同預(yù)應(yīng)力CFRP布完整試驗(yàn)梁BM3、BM4、BM5-1極限荷載分別提高54%、60%、69%；對(duì)于加固的破壞梁來(lái)說(shuō)，非預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓加固的破壞試驗(yàn)梁BM2-2極限荷載提高54%，僅端部錨固的預(yù)應(yīng)力CFRP布破壞試驗(yàn)梁BM5-2極限荷載均提高69%，預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固的破壞試驗(yàn)梁BM6-2極限荷載提高69%?？梢?jiàn)，預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)能夠極大的提高加固梁的極限承載能力；CFRP施加預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)提高加固梁承載能力有貢獻(xiàn)；對(duì)加載破壞后重新修復(fù)加固的試驗(yàn)梁，其極限承載能力基本等于或略低于相應(yīng)加固完整梁的極限承載能力。

從加固試驗(yàn)梁的破壞形式看，對(duì)于僅端部錨固的預(yù)應(yīng)力CFRP布加固試驗(yàn)梁，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力較小時(shí)(BM3、BM4)，極限破壞表現(xiàn)為CFRP布的剝離和滑移(見(jiàn)圖11(a))，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力較大時(shí)(BM5-1、BM5-2)，極限破壞表現(xiàn)為CFRP布的剝離、滑移和局部斷裂(見(jiàn)圖11(b))；預(yù)緊螺栓錨固的試驗(yàn)梁(包括預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力加固的梁)，極限破壞時(shí)均表現(xiàn)為CFRP布的局部剝離及斷裂(見(jiàn)圖10及圖12)。因此，預(yù)緊螺栓錨固CFRP布能夠有效防止CFRP的完全剝離脆性破壞，有助于CFRP強(qiáng)度的利用。另外，對(duì)CFRP布施加較大的預(yù)應(yīng)力也有利于其高強(qiáng)性能的充分發(fā)揮。

6.4試驗(yàn)梁荷載變形特征分析

試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線如圖15所示。

從圖15(a)可以看出，參照梁BM1符合鋼筋混凝土適筋梁的彈塑性破壞特征，其在加載過(guò)程中分為3個(gè)工作階段：第1階段為混凝土開(kāi)裂以前的未裂階段；第2階段為混凝土開(kāi)裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段；第3階段為鋼筋開(kāi)始屈服至截面破壞的破壞階段。

觀察圖15(b)～(k)，根據(jù)CFRP布加固試驗(yàn)梁的總體剛度變化，其荷載-撓度曲線分為4個(gè)階段：第1階段為混凝土開(kāi)裂以前的未裂階段；第2階段為混凝土開(kāi)裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段；第3階段為鋼筋開(kāi)始屈服至CFRP布開(kāi)始剝離階段；第4階段為CFRP布初始剝離至試驗(yàn)梁截面破壞的破壞階段。

可見(jiàn)，CFRP布加固的試驗(yàn)梁與參照梁的受力特征明顯不同，鋼筋混凝土參照梁BM1的受力特征近似認(rèn)為理想彈塑性，而CFRP布加固的鋼筋混凝土試驗(yàn)梁的具有屈服后強(qiáng)化的彈塑性受力特征。CFRP布加固試驗(yàn)梁屈服時(shí)的荷載高于參照梁，且增大預(yù)應(yīng)力及采用預(yù)緊螺栓錨固CFRP布時(shí)，其屈服荷載顯著提高。

圖15　試驗(yàn)梁彎矩-跨中撓度曲線Fig.15　Moment-midspan deflection of test

7試驗(yàn)梁的剛度分析

對(duì)于鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，荷載效應(yīng)M與跨中截面撓度f(wàn)的近似計(jì)算公式為[16]

(1)

根據(jù)荷載-跨中撓度曲線圖15，考慮到加固梁施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上撓度的影響，采用式(1)分析計(jì)算試驗(yàn)梁各工作階段的等效截面的抗彎剛度B如表3所示。

表3　試驗(yàn)工作階段剛度

由表3可以看出，CFRP布加固完整試驗(yàn)梁在第1及第2工作階段的剛度比相應(yīng)參照梁BM1均有提高：在第1階段，即混凝土開(kāi)裂以前的未裂階段，BM2-1、BM3、BM4、BM5-1、BM6-1的剛度比參照梁BM1提高了大約48%、106%、107%、121%、143%，在第2階段，即混凝土開(kāi)裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段，BM2-1、BM3、BM4、BM5-1、BM6-1的剛度比參照梁BM1提高了大約36%、47%、58%、59%、54%，預(yù)應(yīng)力越大，加固梁的剛度提高越大，說(shuō)明施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)加固梁鋼筋屈服以前的正常使用工作階段的剛度影響顯著；在第3階段，即鋼筋開(kāi)始屈服至CFRP布開(kāi)始剝離階段，除BM5-1試驗(yàn)梁剛度略高于參照梁BM1在第2階段的剛度外，其余均都低于參照梁BM1在第2階段的剛度；加固試驗(yàn)梁在最后工作階段的剛度都略高于參照梁BM1在最后階段的剛度，且隨預(yù)應(yīng)力增大，試驗(yàn)梁截面剛度也略有提高。

另外，對(duì)比BM2-1與BM2-2、BM5-1與BM5-2、BM6-1與BM6-2三組試驗(yàn)梁各工作階段的剛度可以看出，對(duì)于破壞后修復(fù)再重新加固的試驗(yàn)梁，其剛度基本能夠達(dá)到參照梁BM1的剛度，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到相應(yīng)的加固完整梁的剛度水平。

8加固試驗(yàn)梁承載能力安全儲(chǔ)備分析

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]]確定參照梁BM1設(shè)計(jì)承載力為54 kN·m，其他加固梁的設(shè)計(jì)承載力為82 kN·m，各試驗(yàn)梁的實(shí)際極限承載力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，用式(2)計(jì)算承載能力儲(chǔ)備指標(biāo)[18]，如表4所示。

(2)

式中：KF承載能力儲(chǔ)備指標(biāo)；Fu結(jié)構(gòu)的極限承載力；Fd結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力。

表4　試驗(yàn)梁的承載力儲(chǔ)備指標(biāo)

由表4可以看出，試驗(yàn)梁承載能力儲(chǔ)備指標(biāo)均大于1.5，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載能力安全儲(chǔ)備要求[18]。預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固的試驗(yàn)梁承載能力安全儲(chǔ)備最大，且由于CFRP布加固試驗(yàn)梁具有屈服后強(qiáng)化的彈塑性受力特征(圖15)，因此，所有加固試驗(yàn)梁的承載能力安全儲(chǔ)備都高于近似理想彈塑性特征的參照梁BM1。此外，增大預(yù)應(yīng)力，加固試驗(yàn)梁的承載能力安全儲(chǔ)備也有所提高。

9結(jié)論

針對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)，采用自行研發(fā)的CFRP布張拉設(shè)備及螺栓錨固裝置對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行加固，通過(guò)加載對(duì)比試驗(yàn)，分別研究采用不同預(yù)應(yīng)力及不同錨固方式加固的完整試驗(yàn)梁及破壞后修復(fù)試驗(yàn)梁的承載性狀。由試驗(yàn)結(jié)果分析，可得到如下結(jié)論：

1)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固RC梁能夠有效抑制裂縫的開(kāi)裂和開(kāi)展；預(yù)緊螺栓錨固CFRP布雖不能提高加固RC梁的開(kāi)裂荷載，但能夠抑制裂縫的開(kāi)展。因此，預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)對(duì)提高RC梁耐久性非常有利。

2)預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固技術(shù)能夠有效抑制CFRP與混凝土界面的剝離，提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。

3)預(yù)緊螺栓錨固CFRP布能夠有效防止CFRP的完全剝離脆性破壞，有助于CFRP強(qiáng)度的利用；對(duì)CFRP布施加較大的預(yù)應(yīng)力有利于其高強(qiáng)性能的充分發(fā)揮。因此，預(yù)應(yīng)力CFRP布及預(yù)緊螺栓聯(lián)合加固是一種更可靠的技術(shù)，能夠極大地提高加固梁的極限承載能力，使加固RC梁具有較大的承載能力安全儲(chǔ)備。

4)CFRP布加固的鋼筋混凝土試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線具有屈服后強(qiáng)化的彈塑性受力特征，且增大預(yù)應(yīng)力及采用預(yù)緊螺栓錨固CFRP布時(shí)，其屈服荷載顯著提高。

5)CFRP布加固的RC梁，在受拉鋼筋屈服以前的工作階段，其剛度提高顯著，在CFRP布開(kāi)始剝離以后，其剛度顯著降低；增大預(yù)應(yīng)力，加固梁的剛度提高。

6)對(duì)于破壞后修復(fù)再重新加固的試驗(yàn)梁，其剛度基本能夠達(dá)到原完整梁的剛度，其極限承載能力基本等于或略低于相應(yīng)加固完整梁的極限承載能力；試驗(yàn)梁以前承載破壞狀況對(duì)修復(fù)后加固梁的界面剝離荷載沒(méi)有影響，但對(duì)加固后梁的開(kāi)裂荷載有影響。

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(編輯胡英奎)

Experimental analysis on RC beams strengthened with the pre-stressed carbon fiber sheets and pre-screwed bolts

Guan Yanhua1, Qian Yuanshun1,Yue Hongya1, Sun Renjuan1, Ji Xu2, Yuan Kai2, Liu Chuanbo2

(1.School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, P. R. China;2. Jinan Highway Administration, Jinan 250013, P. R. China)

Abstract:To improve the strengthening effect and reliability of concrete structure strengthened with carbon fiber sheets, a new hybrid bonding pre-stressed carbon fiber sheets technique is developed. This technique combines the pre-stressed carbon fiber sheets with mechanical fastening of pre-screwed bolts. In accordance with the fracturing characteristics and the strengthening method of aging RC beam bridges, different carbon fiber sheets strengthening technology were applied on the intact and destructive RC beams. And a series of experiments were conducted to examine and assess the flexural performance of RC beams. Then, a new type of tensioning equipment was invented to meet the need of tensioning carbon fiber sheets in practical engineering. The experiment results show that the hybrid bonding pre-stressed carbon fiber sheets is a more reliable strengthening technique which can not only improve the flexural capacity and the section stiffness of RC beams during normal use stage, but also can increase the cohesive force between carbon fiber sheets and concrete interface. It can make full use of the tensile strength of carbon fiber sheets and can restrain the opening and developing of the cracks.

Keywords:pre-stressed carbon fiber sheets；pre-screwed bolts；strengthening technology；experimental study；mechanical behavior

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.02.001

收稿日期：2015-08-15

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金 (ZR2013EEM025)；山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金(2012ZD032)

作者簡(jiǎn)介：管延華(1969-)，男，博士，主要從事橋梁加固技術(shù)研究，(E-mail)guanyanhua@sdu.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TU375.1;U445.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2016)02-0001-10

Received:2015-08-15

Foundation item：Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2013EEM025); Independent Innovation Fund of Shandong University(No. 2012ZD032)

Author brief：Guan Yanhua (1969- ), PhD, main research interest:bridge reinforcement, (E-mail) guanyanhua@sdu.edu.cn.